KR20120046805A - 미모 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미모 안테나 장치에 관한 것으로, 급전 시 공진 주파수 대역에서 동작하는 다수개의 안테나 소자들과, 안테나 소자들이 상호 이격되어 배열되고 안테나 소자들과 각각 전기적으로 연결되어 안테나 소자들에 급전을 제공하는 안테나 포트들이 배치된 소자 영역과, 안테나 소자들을 접지시키는 접지 플레이트가 배치되는 접지 영역으로 구분되는 메인 기판과, 메인 기판에서 접지 플레이트로부터 소자 영역으로 연장되어 안테나 소자들 사이로 돌출되는 음 전극 라인과, 안테나 소자들을 연결하고 음 전극 라인의 주변 영역을 따라 음 전극 라인으로부터 일정 간격으로 이격되어 연장되는 양 전극 라인을 구비하며, 안테나 소자들 동작 시, 음 전극 라인과 양 전극 라인 사이로 전자기파를 유입시켜 안테나 소자들을 상호 격리시키는 적어도 하나의 격리 소자를 포함한다. 본 발명에 따르면, 미모 안테나 장치 동작 시, 격리 소자가 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연을 유도함으로써, 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 억제할 수 있다.

Description

미모 안테나 장치{MIMO ANTENNA APPARATUS}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 다수개의 안테나 소자들을 갖는 미모(MIMO; Multiple-Input Multiple-Output) 안테나 장치에 관한 것이다.
일반적으로 무선 통신 시스템에서 비디오, 음악, 게임 등 각종 멀티미디어(multimedia) 서비스의 제공이 이루어지고 있다. 이 때 무선 통신 시스템에서 멀티미디어 서비스를 원활하게 제공하기 위하여, 방대한 용량의 멀티미디어 데이터에 대한 고속의 데이터 전송률이 보장되어야 한다. 이를 위해, 통신 단말기에서 안테나 장치의 성능을 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. 이는 통신 단말기에서 안테나 장치가 실질적으로 멀티미디어 서비스를 위한 데이터의 송수신을 담당하기 때문이다. 이에 따라, 최근 무선 통신 시스템에서 통신 단말기에 장착되는 안테나 장치로, 미모 안테나 장치가 제안되고 있다. 이 때 미모 안테나 장치는 다수개의 안테나 소자들을 구비한다. 이러한 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들을 통해 일정 주파수 대역(frequency band)에서 신호를 송수신함으로써, 고속의 데이터 전송이 가능하다.
그런데, 상기와 같은 미모 안테나 장치 동작 시, 안테나 소자들 사이에 전자기적 상호 결합(coupling)이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 통신 단말기의 소형화를 구현하기 위한 미모 안테나 장치의 소형화에 따라 더욱 심각해져 무선 통신 시스템의 성능 저하를 초래한다. 이로 인하여, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 억제하기 위한 방안이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 나타내는 지수인 상관도(correlation)를 억제하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 미모 안테나 장치는, 급전 시 공진 주파수 대역에서 동작하는 다수개의 안테나 소자들과, 상기 안테나 소자들이 상호 이격되어 배열되고 상기 안테나 소자들과 각각 전기적으로 연결되어 상기 안테나 소자들에 급전을 제공하는 안테나 포트들이 배치된 소자 영역과, 상기 안테나 소자들을 접지시키는 접지 플레이트가 배치되는 접지 영역으로 구분되는 메인 기판과, 상기 메인 기판에서 상기 접지 플레이트로부터 상기 소자 영역으로 연장되어 상기 안테나 소자들 사이로 돌출되는 음 전극 라인과, 상기 안테나 소자들을 연결하고 상기 음 전극 라인의 주변 영역을 따라 상기 음 전극 라인으로부터 일정 간격으로 이격되어 연장되는 양 전극 라인을 구비하며, 상기 안테나 소자들 동작 시, 상기 음 전극 라인과 상기 양 전극 라인 사이로 전자기파를 유입시켜 상기 안테나 소자들을 상호 격리시키는 적어도 하나의 격리 소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 미모 안테나 장치 동작 시, 격리 소자가 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연을 유도한다. 이로 인하여, 미모 안테나 장치에서 격리 소자가 안테나 소자들 사이의 상관도를 최소화시킬 수 있다. 즉 미모 안테나 장치에서 격리 소자가 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 억제할 수 있다. 이를 통해, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들의 방사 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 무선 통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도,
도 3은 본 발명이 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 등가 회로를 도시하는 회로도,
도 5 내지 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프들,
도 10 내지 도 13은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 튜닝에 따른 동작 특성의 변화를 설명하기 위한 그래프들,
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도,
도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도,
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도, 그리고
도 17 및 도 18은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치와 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치 간 동작 특성의 차이를 설명하기 위한 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이 때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도이다. 또한 도 3은 본 발명이 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 미모 안테나 장치가 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 미모 안테나 장치(100)는 메인 기판(main board; 110), 접지 플레이트(ground plate; 120), 안테나 캐리어(antenna carrier; 130), 안테나 소자(antenna device; 140, 150)들 및 격리 소자(isolation device; 160)를 포함한다.
메인 기판(110)은 미모 안테나 장치(100)에서 지지(支持) 및 급전(急電)을 위해 제공된다. 이 때 메인 기판(110)은 평판(flat plate) 구조로 구현될 수 있다. 그리고 메인 기판(110)의 일면, 예컨대 Z축 방향으로 상부면은 접지 영역(111)과 소자 영역(113)으로 구분된다. 또한 메인 기판(110)은 다수개의 안테나 포트(antenna port; 114, 115)들을 구비한다. 이 때 안테나 포트(114, 115)들은 소자 영역(113)에 배치된다. 게다가, 메인 기판(110)은 다수개의 급전 선로(도시되지 않음)들이 내재된 유전체로 이루어진다. 여기서, 메인 기판(110)은 다수개의 유전 플레이트들이 적층되어 구현될 수 있다.
이 때 각각의 급전 선로는 양단부를 통해 외부로 노출된다. 여기서, 급전 선로의 일단부는 외부 전원(도시되지 않음)에 연결된다. 그리고 급전 선로의 타단부는 소자 영역(113)을 통해 외부로 노출된다. 이 때 급전 선로의 타단부가 안테나 포트(114, 115)로 제공된다. 이를 통해, 외부 전원으로부터 일단부를 통해 급전 시, 급전 선로는 타단부의 안테나 포트(114, 115)로 전원을 공급한다. 여기서, 급전 선로들 중 적어도 어느 하나에 제한적으로 급전이 이루어질 수 있다.
접지 플레이트(120)는 미모 안테나 장치(100)에서 접지(接地)를 위해 제공된다. 이러한 접지 플레이트(120)는 메인 기판(100)의 접지 영역(111)에 배치된다. 이 때 접지 플레이트(120)는 평판 구조를 갖는다. 여기서, 접지 플레이트(120)는 접지 영역(111)의 전체 영역을 커버하도록 메인 기판(110)의 일면에 수평하게, 예컨대 X축 방향 및 Y축 방향으로 배치될 수 있다. 또는 접지 플레이트(120)는 접지 영역(111)의 일부 영역에서 메인 기판(110)의 일면에서 수직하게, 예컨대 Z축 방향으로 배치될 수 있다. 그리고 접지 플레이트(120)는 다양한 형태의 요홈(groove) 또는 홀(hole)이 형성된 평판 구조로 구현될 수 있다.
안테나 캐리어(130)는 미모 안테나 장치(100)에서 매개체(媒介體)로서 제공된다. 이러한 안테나 캐리어(130)는 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에 실장된다. 이 때 안테나 캐리어(130)는 일방향, 예컨대 Z축 방향의 두께 및 일방향에 수직하게, 예컨대 X축과 Y축에 의해 형성되는 면적을 갖는 평판 구조로 이루어진다. 여기서, 안테나 캐리어(130)는 소자 영역(113)에 대응하는 형상으로 구현되되, 소자 영역(113)에서 돌출되는 형상으로 구현될 수 있다. 그리고 안테나 캐리어(130)는 소자 영역(113)에서 안테나 포트(114, 115)들을 노출시킨다. 또한 안테나 캐리어(130)는 유전체로 이루어진다. 이 때 안테나 캐리어(130)는 메인 기판(110)과 동일한 특성을 가질 수 있으며, 메인 기판(110)과 상이한 특성을 가질 수도 있다.
안테나 소자(140, 150)들은 미모 안테나 장치(100)에서 신호 송수신을 위해 제공된다. 즉 안테나 소자(140, 150)들은 적어도 하나의 공진 주파수 대역에서 공진(共振)하여 전자기파를 송수신하는 역할을 한다. 이러한 안테나 소자(140, 150)들은 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에서 상호 이격되어 배열된다. 그리고 안테나 소자(140, 150)들은 금속 물질의 전송 선로로 구현된다. 이 때 안테나 소자(140, 150)들은 안테나 캐리어(130)의 표면을 따라 연장되도록 패터닝(patterning)됨에 따라 소자 영역(113)에 배치될 수 있다. 즉 안테나 소자(140, 150)들은 안테나 캐리어(130)의 두께 또는 면적에 상응하는 거리로 메인 기판(110) 및 접지 플레이트(120)로부터 이격되도록 배치된다.
그리고 안테나 소자(140, 150)들은 안테나 포트(114, 115)들에 개별적으로 접촉하여 전기적으로 접속한다. 이 때 안테나 소자(140, 150)에서 안테나 포트(114, 115)와 접촉 지점, 즉 안테나 소자(140, 150)의 일단부에 급전점이 형성된다. 또한 안테나 소자(140, 150)들은 접지 플레이트(120)에 의해 접지된다. 여기서, 안테나 소자(140, 150)들은 각각의 타단부를 통해 접지 플레이트(120)와 접촉할 수 있다. 게다가, 안테나 소자(140, 150)들은 상호 대칭적인 형태로 구현된다. 이 때 각각의 안테나 소자(140, 150)는 적어도 하나의 곡절(曲折)부가 형성된 구조로 이루어진다. 여기서, 각각의 안테나 소자(140, 150)는 미앤더(meander) 타입으로 형성된다.
이를 통해, 외부 전원으로부터 안테나 포트(114, 115)들을 통해 전원 인가 시, 안테나 소자(140, 150)들이 공진 주파수 대역에서 공진한다. 여기서, 안테나 포트(114, 115)들 중 일부에 제한적으로 전원이 인가됨에 따라, 안테나 소자(140, 150)들 중 일부가 공진 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 이 때 안테나 소자(140, 150)들 동작 시, 안테나 소자(140, 150)들의 주변 영역에 자장(磁場)이 형성되어 안테나 소자(140, 150)들 사이에 전자기적 상호 결합이 발생할 수 있다. 즉 안테나 소자(140, 150)들 사이의 상관도가 비교적 높게 나타날 수 있다.
격리 소자(160)는 미모 안테나 장치(100)에서 안테나 소자(140, 150)들 간 간섭(interference) 제어를 위해 제공된다. 즉 격리 소자(160)는 안테나 소자(140, 150)들의 적어도 하나의 공진 주파수 대역을 저지하여, 안테나 소자(140, 150)들을 상호로부터 격리시키는 역할을 수행한다. 이러한 격리 소자(160)는 메인 기판(110)의 소자 영역(113)에서 안테나 소자(140, 150)들 사이에 배치된다. 이 때 격리 소자(160)는 메인 기판(110)의 표면에 장착되어 소자 영역(113)에 배치될 수 있다. 즉 격리 소자(160)는 안테나 캐리어(130)의 두께 및 면적에 상응하는 거리로 안테나 소자(140, 150)들에 이격될 수 있다. 그리고 격리 소자(160)는 음 전극 라인(negative line; 161)과 양 전극 라인(positive line; 163)을 구비한다.
음 전극 라인(161)은 접지 플레이트(120)로부터 연장되어 안테나 소자(140, 150)들 사이로 돌출된다. 이 때 음 전극 라인(161)은 접지 플레이트(120)와 동일한 특성을 갖는다. 그리고 음 전극 라인(161)은 바(bar) 타입으로 형성된다. 여기서, 음 전극 라인(161)은 각각의 안테나 소자(140, 150)와 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
양 전극 라인(163)은 안테나 소자(140, 150)들을 연결한다. 이 때 양 전극 라인(163)은 안테나 포트(114, 115)들에 접촉하여 전기적으로 접속한다. 즉 양 전극 라인(163)은 안테나 소자(140, 150)들과 별도로 안테나 포트(114, 115)들로부터 연장될 수 있다. 그리고 양 전극 라인(163)은 음 전극 라인(161)의 주변 영역을 따라 연장되어, 음 전극 라인(161)으로부터 일정 간격으로 이격된다. 이 때 양 전극 라인(163)은 금속 물질의 전송 선로로 구현된다. 또한 양 전극 라인(163)은 적어도 하나의 곡절부가 형성된 구조로 이루어진다. 여기서, 양 전극 라인(163)은 루프(loop) 타입으로 형성된다.
이를 통해, 안테나 소자(140, 150)들 동작 시, 격리 소자(160)에 전자기파가 유입된다. 즉 외부 전원으로부터 안테나 포트(114, 115)들을 통해 전원 인가 시, 양 전극 라인(163)은 양성으로 동작하고, 음 전극 라인(161)은 음성으로 동작한다. 그리고 음 전극 라인(161)과 양 전극 라인(163)의 사이의 공간을 따라 전자기파가 유입된다. 이에 따라, 격리 소자(160)가 안테나 소자(140, 150)들의 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연(group delay)을 유도하여, 안테나 소자(140, 150)들 간 상관도를 최소화한다. 즉 격리 소자(160)가 안테나 소자(140, 150)들을 상호 격리(isolation)시킨다.
즉 미모 안테나 장치(100) 동작 시, 안테나 소자(140, 150)들과 격리 소자(160)는 안테나 포트(114, 115)들을 통해 동시에 급전된다. 그리고 안테나 소자(140, 150)들과 양 전극 라인(163)은 접지 플레이트(120) 및 음 전극 라인(161)을 공유하여 동시에 접지된다. 이 때 안테나 소자(140, 150)들은 상대적으로 고손실율을 가지고 동작하고, 격리 소자(160)는 상대적으로 저손실율, 예컨대 0에 근접한 손실율을 가지고 동작한다. 즉 미모 안테나 장치(100) 동작 시, 미모 안테나 장치(100)에서 손실율의 차이가 크게 나타나고, 분산(dispersion)이 비교적 심하게 나타난다. 이를 통해, 미모 안테나 장치(100)의 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연이 유도된다. 이에 따라, 미모 안테나 장치(100)에서 안테나 소자(140, 150)들 간 상관도가 최소화된다. 즉 미모 안테나 장치(100)에서 격리 소자(160)에 의해 안테나 소자(140, 150)들 간 격리도가 극대화된다.
이 때 본 실시예의 미모 안테나 장치(100)에서 안테나 소자(140, 150)들과 격리 소자(160)는 각각의 역할을 수행하기 위하여, 각기 다른 인덕턴스(inductance), 커패시턴스(capacitance) 등을 갖도록 설계된다. 이를 도 4를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 등가 회로를 도시하는 회로도이다. 이 때 본 실시예에서 안테나 소자들 및 격리 소자가 단일 셀(cell)로 이루어진 예를 설명할 것이나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 안테나 소자들 및 격리 소자는 각각 다수개의 셀들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 미모 안테나 장치(100)에서, 안테나 소자(140, 150)들은 각각 격리 소자(160)와 연결된다. 이 때 안테나 소자(140, 150)들 간 전자기적 상호 결합이 결합 커패시턴스로 표현될 수 있으며, 이를 결합 커패시터(170)로 가정하여 도시한다.
안테나 소자(140, 150)들은 적어도 하나의 공진 주파수 대역에서 공진하기 위한 동작 인덕턴스, 동작 커패시턴스 및 동작 레지스턴스를 갖도록 구성된다. 이러한 안테나 소자(140, 150)들은 각각의 소자 인덕터(device inducter; 141, 151), 소자 커패시터(device capacitor; 143, 153) 및 소자 레지스터(device resistor; 145, 155)를 포함한다. 그리고 각각의 안테나 소자(140, 150)에서, 소자 인덕터(141, 151)와 소자 커패시터(143, 153)는 각각 안테나 포트(114, 115)에 직렬로 접속하며, 상호 병렬로 접속한다. 또한 각각의 안테나 소자(140, 150)에서, 소자 레지스터(145, 155)는 소자 인덕터(141, 151)와 소자 커패시터(143, 153)에 직렬로 접속한다.
이 때 각각의 안테나 소자(140, 150)의 구조, 형상 및 재질에 따라 해당 등가 회로의 구성과 같은 전기적 특성을 나타낸다. 여기서, 안테나 소자(140, 150)는 접지 플레이트(120)에 수평한 방향, 예컨대 Y축 방향으로 연장되는 수평 성분 선로들과 접지 플레이트(120)에 수직한 방향, 예컨대 X축 방향으로 연장되는 수직 성분 선로들로 구분된다. 즉 안테나 소자(140, 150)의 면적, 예컨대 수평 성분 선로들과 수직 성분 선로들의 총 길이 및 폭에 따라, 안테나 소자(140, 150) 별 소자 인덕터(141, 151)와 같은 동작 인덕턴스가 결정된다. 그리고 안테나 소자(140, 150)에서 수평 성분 선로들과 접지 플레이트(120) 또는 음 전극 라인(161) 간 간격 및 수직 성분 선로들의 길이에 따라, 안테나 소자(140, 150) 별 소자 커패시터(143, 153)와 같은 동작 커패시턴스가 결정된다. 또한 안테나 소자(140, 150)의 방사에 의한 손실과 재질, 즉 안테나 소자(140, 150)를 구성하는 금속 물질에 의한 손실에 따라 소자 레지스터(145, 155)와 같은 동작 레지스턴스가 결정된다.
격리 소자(160)는 공진 주파수 대역를 저지하기 위한 저지 인덕턴스 및 저지 커패시턴스를 갖도록 구성된다. 이 때 격리 소자(160)의 저지 인덕턴스 및 저지 커패시턴스는 안테나 소자(140, 150)들과 결합을 고려하여 결정된다. 이러한 격리 소자(160)는 저지 인덕터(165) 및 저지 커패시터(167)를 포함한다. 그리고 저지 인덕터(165) 및 저지 커패시터(167)는 안테나 소자(140, 150)들 사이를 연결한다. 이 때 저지 인덕터(165) 및 저지 커패시터(167)는 안테나 포트(114, 115)들 사이를 연결한다. 또한 저지 인덕터(165) 및 저지 커패시터(167)는 각각 안테나 포트(114, 115)들에 직렬로 접속하며, 상호 병렬로 접속한다.
이 때 격리 소자(160)의 구조 또는 형상에 따라 해당 등가 회로의 구성과 같은 전기적 특성을 나타낸다. 즉 양 전극 라인(163)의 면적, 예컨대 양 전극 라인(163)의 총 길이 및 폭에 따라, 격리 소자(160)의 저지 인덕터(161)와 같은 저지 인덕턴스가 결정된다. 여기서, 양 전극 라인(163)은 접지 플레이트(120)에 수평한 방향, 예컨대 Y축 방향으로 연장되는 수평 성분 라인과 접지 플레이트(120)에 수직한 방향, 예컨대 X축 방향으로 연장되는 수직 성분 선로들로 구분된다. 그리고 양 전극 라인(163)과 접지 플레이트(120) 또는 음 전극 라인(161) 간 간격에 따라, 격리 소자(160)의 저지 병렬 커패시터(165)와 같은 저지 커패시턴스가 결정된다.
이에 따라, 본 실시예의 미모 안테나 장치(100)는 보다 향상된 동작 특성을 갖는다. 이를 도 5 내지 도 9를 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 동작 특성을 설명하기 위한 그래프들이다. 이 때 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 S21 크기(S21 magnitude)를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 S21 위상(S21 phase)을 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 군지연을 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 간 상관도를 나타내는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 편파 특성을 나타내는 그래프이다. 여기서, 이 때 도 5 내지 도 9는 미모 안테나 장치에서 격리 소자의 포함 여부에 따른 동작 특성 변화를 나타낸다. 그리고 미모 안테나 장치의 공진 주파수 대역이 740 MHz인 경우를 가정하여 설명한다.
본 실시예에 따르면, 미모 안테나 장치는 도 5에 도시된 바와 같이 격리 소자를 통해 공진 주파수 대역에서 S21 크기를 급격하게 감소시킬 수 있다. 그리고 미모 안테나 장치는 도 6에 도시된 바와 같이 격리 소자를 통해 공진 주파수 대역에서 S21 위상의 기울기를 급격하게 변화시킬 수 있다. 이 때 도 5 및 도 6은 고주파 특성 그래프로서, 주파수 대역에 따른 S 파라미터(S parameter)의 변화를 나타낸다. 또한 S21는 안테나 소자들 간 간섭에 따른 S 파라미터의 변화를 나타낸다. 여기서, S21 크기는 안테나 소자들 간 간섭의 크기를 나타내며, S21 위상은 안테나 소자들 간 간섭의 위상을 나타낸다.
아울러, 미모 안테나 장치는 도 7에 도시된 바와 같이 격리 소자를 통해 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연을 유도한다. 이 때 군지연은 주파수 대역 별로 다른 주파수 대역에 의해 야기되는 신호 결함을 나타낸다. 즉 공진 주파수 대역에서 S21 크기를 급격하게 감소시키고 S21 위상의 기울기를 전복시키도록 구현됨에 따라, 미모 안테나 장치는 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연, 다시 말해 군지연을 음수값으로 유도할 수 있다.
이를 통해, 미모 안테나 장치는 도 8에 도시된 바와 같이 격리 소자를 통해 공진 주파수 대역에서 안테나 소자들 간 상관도를 저감시킨다. 즉 격리 소자를 포함하지 않는 경우, 미모 안테나 장치가 공진 주파수 대역에서 대략 0.72에 해당하는 상관도를 나타낸다. 이에 반해, 격리 소자를 포함하는 경우, 미모 안테나 장치는 공진 주파수 대역에서 대략 0.35에 해당하는 상관도를 나타낸다. 다시 말해, 미모 안테나 장치는 격리 소자를 포함하도록 구현됨에 따라 37 %의 상관도 저감 효과를 나타낸다. 이 때 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들 간 상관도 저감은 안테나 소자 별 방사 특성(radiation characteristic)이 상이함을 의미하기도 한다.
이에 따라, 미모 안테나 장치는 도 9에 도시된 바와 같이 격리 소자를 통해 공진 주파수 대역에서 안테나 소자 별 방사 특성 중의 하나인 편파 특성(polarization)을 보다 상이하게 한다. 여기서, 안테나 소자들의 편파 특성들을 각각 점선 및 실선으로 나타낸다. 즉 격리 소자를 포함하지 않는 경우, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자 별 편파 특성을 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 유사하게 나타낸다. 이에 반해, 격리 소자를 포함하는 경우, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자 별 편파 특성을 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 보다 상이하게, 예컨대 대략 서로 직교(orthogonal)하도록 나타낸다. 다시 말해, 미모 안테나 장치에서 격리 소자를 통해, 안테나 소자 별 편파 특성이 상이하게 되고, 안테나 소자들 간 상관도가 저감된다.
이 때 본 실시예의 미모 안테나 장치에서 적어도 두 개의 파라미터들에 따라 음성의 군지연이 유도된다. 여기서, 미모 안테나 장치에서 음성의 군지연을 유도하기 위한 파라미터들로 안테나 소자들의 총 길이(lA) 및 양 전극 라인의 수평 성분 라인(wc)의 길이 및 수직 성분 라인(hc)들의 길이에 따른 총 길이(lc = 2hc + wc)가 있다. 이러한 파라미터들의 변화를 위한 튜닝에 따라 미모 안테나 장치의 동작 특성을 변화시킬 수 있다. 이를 도 10 내지 13을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 튜닝에 따른 동작 특성의 변화를 설명하기 위한 그래프들이다. 이 때 도 10은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 S21 크기의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 11은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 S21 위상의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 12는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 군지연의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 13은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치에서 상관도의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 10 내지 도 12는 미모 안테나 장치에서 양 전극 라인의 총 길이가 20 mm로 고정된 경우를 가정하여 설명한다. 그리고 도 13의 (a)는 미모 안테나 장치에서 양 전극 라인의 총 길이가 20 mm로 고정된 경우를 가정하여 설명하고, 도 13의 (b)는 미모 안테나 장치에서 안테나 소자의 총 길이가 124 mm로 고정된 경우를 가정하여 설명한다.
본 실시예에 따르면, 미모 안테나 장치에서 S21 크기의 급격한 감소가 이루어지는 주파수 대역이 도 10에 도시된 바와 같이 안테나 소자의 총 길이가 길어질수록 저주파 대역으로 이동한다. 그리고 미모 안테나 장치에서 S21 위상의 기울기에 급격한 변화가 이루어지는 주파수 대역이 도 11에 도시된 바와 같이 안테나 소자의 총 길이가 길어질수록 저주파 대역으로 이동한다. 또한 미모 안테나 장치에서 음성의 군지연이 유도되는 주파수 대역이 도 12에 도시된 바와 같이 안테나 소자의 총 길이가 길어질수록 저주파 대역으로 이동한다. 게다가, 미모 안테나 장치에서 상관도가 저감되는 주파수 대역이 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이 안테나 소자의 총 길이가 길어질수록 저주파 대역으로 이동한다. 즉 미모 안테나 장치의 공진 주파수 대역에 대응하여 안테나 소자의 총 길이를 조절함으로써, 미모 안테나 장치에서 상관도를 효율적으로 저감시킬 수 있다.
한편, 미모 안테나 장치에서 상관도가 저감되는 주파수 대역이 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이 양 전극 라인의 총 길이의 변화에 따라 이동 가능하다. 이 때 양 전극 라인의 총 길이가 12 내지 20 mm에 해당하는 경우, 미모 안테나 장치에서 상관도가 최소화된다. 여기서, 안테나 소자들의 공진 주파수 대역은 대략 780 MHz에 해당하며, 공진 주파수 대역의 파장(λ0)은 대략 385 mm에 해당한다. 즉 양 전극 라인의 총 길이가 공진 주파수 대역의 파장의 0.03 내지 0.05 배에 해당하는 경우, 미모 안테나 장치에서 상관도의 저감 효과가 극대화된다. 즉 미모 안테나 장치의 공진 주파수 대역에 대응하여 양 전극 라인의 총 길이를 조절함으로써, 미모 안테나 장치에서 상관도를 효율적으로 저감시킬 수 있다.
한편, 전술된 실시예의 미모 안테나 장치에서, 안테나 소자가 미앤더 타입으로 형성된 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 안테나 소자는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 안테나 소자가 미앤더 타입, 스파이럴(spiral) 타입, 스텝(step) 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성됨에 따라, 본 발명의 구현이 가능하다. 이를 도 14 내지 16을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 일 방향으로 도시하는 사시도이다. 그리고 도 15는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구조를 다른 방향으로 도시하는 사시도이다. 또한 도 16은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 구성을 분해하여 도시하는 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 미모 안테나 장치가 인쇄회로기판으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 본 실시예의 미모 안테나 장치(200)는 메인 기판(210), 접지 플레이트(220), 안테나 캐리어(230), 안테나 소자(240, 250)들 및 격일 소자(260)를 포함한다. 이 때 본 실시예의 미모 안테나 장치(200)의 기본 구성은 전술된 실시예와 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다. 아울러, 본 실시예의 미모 안테나 장치(200)의 등가 회로는 전술된 실시예와 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예의 안테나 소자(240, 250)들은 각각 스파이럴 타입으로 형성된다. 즉 각각의 안테나 소자(240, 250)는 적어도 하나의 곡절부가 형성된 구조로 이루어진다. 이 때 안테나 소자(240, 250)들은 안테나 포트(214, 215)들에 개별적으로 접촉하여 전기적으로 접속한다. 그리고 안테나 소자(240, 250)들은 안테나 캐리어(230)의 표면을 따라 연장된다. 여기서, 안테나 소자(240, 250)들은 각각의 타단부를 통해 접지 플레이트(220)와 접촉할 수 있다. 또한 안테나 소자(240, 250)들은 상호 대칭적인 형태로 구현된다.
이를 통해, 외부 전원으로부터 안테나 포트(214, 215)들을 통해 전원 인가 시, 안테나 소자(240, 250)들이 공진 주파수 대역에서 공진한다. 여기서, 안테나 포트(214, 215)들 중 일부에 제한적으로 전원이 인가됨에 따라, 안테나 소자(240, 250)들 중 일부가 공진 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 이 때 안테나 소자(240, 250)들 동작 시, 안테나 소자(240, 250)들의 주변 영역에 자장이 형성되어 안테나 소자(240, 250)들 사이에 전자기적 상호 결합이 발생할 수 있다. 즉 안테나 소자(240, 250)들 사이의 상관도가 비교적 높게 나타날 수 있다.
아울러, 본 실시예의 격리 소자(260)는 메인 기판(210)에서 안테나 소자(240, 250)들 사이에 배치된다. 이 때 격리 소자(260)는 메인 기판(210)의 표면에 장착될 수도 있다. 그리고 격리 소자(260)는 음 전극 라인(261)과 양 전극 라인(263)을 구비한다.
음 전극 라인(261)은 접지 플레이트(220)로부터 연장되어 안테나 소자(240, 250)들 사이로 돌출된다. 이 때 음 전극 라인(261)은 접지 플레이트(220)와 동일한 특성을 갖는다. 그리고 음 전극 라인(261)은 바 타입으로 형성된다. 여기서, 음 전극 라인(261)은 각각의 안테나 소자(240, 250)와 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
양 전극 라인(263)은 안테나 소자(240, 250)들을 연결한다. 이 때 양 전극 라인(263)은 안테나 포트(214, 215)들에 접촉하여 전기적으로 접속한다. 즉 양 전극 라인(263)은 안테나 소자(240, 250)들과 별도로 안테나 포트(214, 215)들로부터 연장될 수 있다. 그리고 양 전극 라인(263)은 음 전극 라인(261)의 주변 영역을 따라 연장되어, 음 전극 라인(261)으로부터 일정 간격으로 이격된다. 이 때 양 전극 라인(263)은 금속 물질의 전송 선로로 구현된다. 또한 양 전극 라인(263)은 적어도 하나의 곡절부가 형성된 구조로 이루어진다. 여기서, 양 전극 라인(263)은 루프 타입으로 형성된다.
이를 통해, 안테나 소자(240, 250)들 동작 시, 격리 소자(260)에 전자기파가 유입된다. 즉 외부 전원으로부터 안테나 포트(214, 215)들을 통해 전원 인가 시, 양 전극 라인(263)은 양성으로 동작하고, 음 전극 라인(261)은 음성으로 동작한다. 그리고 음 전극 라인(261)과 양 전극 라인(263)의 사이의 공간을 따라 전자기파가 유입된다. 이에 따라, 격리 소자(260)가 안테나 소자(240, 250)들의 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연을 유도하여, 안테나 소자(240, 250)들 간 상관도를 최소화한다. 즉 격리 소자(260)가 안테나 소자(240, 250)들을 상호 격리시킨다.
즉 미모 안테나 장치(200) 동작 시, 안테나 소자(240, 250)들과 격리 소자(260)는 안테나 포트(214, 215)들을 통해 동시에 급전된다. 그리고 안테나 소자(240, 250)들과 양 전극 라인(263)은 접지 플레이트(220) 및 음 전극 라인(261)을 공유하여 동시에 접지된다. 이 때 안테나 소자(240, 250)들은 상대적으로 고손실율을 가지고 동작하고, 격리 소자(260)는 상대적으로 저손실율, 예컨대 0에 근접한 손실율을 가지고 동작한다. 즉 미모 안테나 장치(200) 동작 시, 미모 안테나 장치(200)에서 손실율의 차이가 크게 나타나고, 분산이 비교적 심하게 나타난다. 이를 통해, 미모 안테나 장치(200)의 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연이 유도된다. 이에 따라, 미모 안테나 장치(200)에서 안테나 소자(240, 250)들 간 상관도가 최소화된다. 즉 미모 안테나 장치(200)에서 격리 소자(260)에 의해 안테나 소자(240, 150)들 간 격리도가 극대화된다.
이 때 본 실시예의 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들을 스파이럴 타입으로 형성하더라도, 전술된 실시예의 미모 안테나 장치와 유사한 동작 특성을 획득할 수 있다. 이를 도 17 및 도 18을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치와 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치 간 동작 특성의 차이를 설명하기 위한 그래프들이다. 이 때 도 17은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치와 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치 간 그룹 지연 변화를 나타내는 그래프이며, 도 18은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치와 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치 간 상관도 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 미모 안테나 장치 및 제 2 실시예에 따른 미모 안테나 장치의 공진 주파수 대역이 740 MHz인 경우를 가정하여 설명한다.
즉 본 실시예의 미모 안테나 장치는 도 17에 도시된 바와 같이 전술된 실시예의 미모 안테나 장치와 유사하게 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연을 유도한다. 그리고 본 실시예의 미모 안테나 장치는 도 18에 도시된 바와 같이 전술된 실시예의 미모 안테나 장치와 유사하게 공진 주파수 대역에서 안테나 소자들 간 상관도를 저감시킨다. 다시 말해, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들의 형태를 전술된 실시예와 상이하게 형성하더라도, 전술된 실시예와 유사한 동작 특성을 획득할 수 있다.
한편, 전술된 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 음 전극 라인이 바 타입으로 형성되고, 양 전극 라인이 루프 타입으로 형성된 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 음 전극 라인이 둘레 영역에 다양한 형태의 요홈 또는 홀이 형성된 구조 또는 라운딩(rounding) 처리된 구조로 형성되더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 이 때 양 전극 라인은 음 전극 라인의 주변 영역을 따라 연장되도록 형성될 수 있다.
한편, 전술한 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 메인 기판에 두 개의 안테나 소자들이 배열되고, 안테나 소자들 사이에 하나의 격리 소자가 배열된 예들을 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 미모 안테나 장치에서, 메인 기판에 세 개 이상의 안테나 소자들이 배열되더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 그리고 미모 안테나 장치에서, 안테나 소자들 사이에 두 개 이상의 격리 소자들이 배열되더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 이 때 두 개의 안테나 소자들 사이에 적어도 하나의 격리 소자들이 배열될 수 있다. 이를 통해, 미모 안테나 장치에서, 안테나 소자들이 적어도 하나의 공진 주파수 대역에서 공진하고, 격리 소자들이 적어도 하나의 공진 주파수 대역을 저지하는 것이 가능하다.
한편, 전술한 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 안테나 소자들이 안테나 캐리어에 패터닝되고, 격리 소자가 안테나 캐리어에 패터닝되는 예들을 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 미모 안테나 장치에서, 안테나 소자들이 안테나 캐리어에 패터닝되지 않거나 격리 소자가 메인 기판에 패터닝하지 않더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 예를 들면, 안테나 소자들가 메인 기판에 직접적으로 패터닝될 수 있다. 또는 격리 소자가 안테나 캐리어에 패터닝될 수 있다. 이를 통해, 미모 안테나 장치가 안테나 캐리어를 구비하지 않더라도, 본 발명이 구현될 수 있다.
한편, 전술한 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 안테나 소자들과 격리 소자가 메인 기판 또는 안테나 캐리어에 패터닝된 전송 선로로 구현된 예들을 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 안테나 소자 또는 격리 소자 중 적어도 어느 하나가 고유의 인덕턴스, 커패시턴스 등을 갖기 위한 소자 결합체로 구현됨으로써, 본 발명의 구현이 가능하다. 예를 들면, 안테나 소자들이 소자 결합체로 구현되고, 격리 소자가 전송 선로로 구현될 수 있다.
한편, 전술한 실시예들의 미모 안테나 장치들에서, 각각의 안테나 소자는 메타머티어리얼(metamaterial) 구조의 전송 회로로 구현될 수도 있다. 이 때 메타머티어리얼은 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적인 방법으로 합성된 물질 또는 전자기적 구조를 의미한다. 이러한 메타머티어리얼은 특정 조건 하에서 유전율(permitivity)과 투자율(permeability)이 모두 음의 값을 가지며, 일반적인 물질 또는 전자기적 구조와 상이한 전자파 전송 특성을 나타낸다. 즉 본 실시예에서 메타머티어리얼 구조는 전자파의 위상 속도가 반전되는 특성을 이용하기 위한 구조로서, CRLH(Composite Right/Left Handed) 구조로 이루어진다. 여기서, CRLH 구조는 전장, 자장 및 전자파의 전파 방향이 오른손 법칙을 따르는 일반적인 특성을 나타내는 RH(Right Handed) 구조와 전장, 자장 및 전자파의 전파 방향이 오른손 법칙과는 반대로 왼손 법칙을 따르는 특성을 나타내는 LH(Left Handed) 구조가 결합된 구조로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 미모 안테나 장치 동작 시, 격리 소자가 공진 주파수 대역에서 음성의 군지연을 유도한다. 이로 인하여, 미모 안테나 장치에서 격리 소자가 안테나 소자들 사이의 상관도를 최소화시킬 수 있다. 즉 미모 안테나 장치에서 격리 소자가 안테나 소자들 사이의 전자기적 상호 결합을 억제할 수 있다. 이를 통해, 미모 안테나 장치에서 안테나 소자들의 방사 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 무선 통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100, 200 : 미모 안테나 장치
110, 210 : 메인 기판
111 : 접지 영역
113 : 소자 영역
114, 115, 214, 215 : 안테나 포트
120, 220 : 접지 플레이트
130, 230 : 안테나 캐리어
140, 150, 240, 250 : 안테나 소자
141, 151: 동작 인덕터
143, 153 : 동작 커패시터
145, 155 : 동작 레지스터
160, 260 : 격리 소자
161 : 저지 인덕터
163 : 저지 커패시터
161, 261 : 음 전극 라인
163, 263 : 양 전극 라인

Claims (8)

  1. 급전 시 공진 주파수 대역에서 동작하는 다수개의 안테나 소자들과,
    상기 안테나 소자들이 상호 이격되어 배열되고 상기 안테나 소자들과 각각 전기적으로 연결되어 상기 안테나 소자들에 급전을 제공하는 안테나 포트들이 배치된 소자 영역과, 상기 안테나 소자들을 접지시키는 접지 플레이트가 배치되는 접지 영역으로 구분되는 메인 기판과,
    상기 메인 기판에서 상기 접지 플레이트로부터 상기 소자 영역으로 연장되어 상기 안테나 소자들 사이로 돌출되는 음 전극 라인과, 상기 안테나 소자들을 연결하고 상기 음 전극 라인의 주변 영역을 따라 상기 음 전극 라인으로부터 일정 간격으로 이격되어 연장되는 양 전극 라인을 구비하며, 상기 안테나 소자들 동작 시, 상기 음 전극 라인과 상기 양 전극 라인 사이로 전자기파를 유입시켜 상기 안테나 소자들을 상호 격리시키는 적어도 하나의 격리 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양 전극 라인은 상기 소자 영역에서 상기 안테나 포트들로부터 연장되어 상기 안테나 소자들을 연결하는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소자 영역에 실장되고 상기 안테나 소자들과 상기 격리 소자가 장착되는 안테나 캐리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 격리 소자는 상기 안테나 캐리어를 매개로 상기 안테나 소자들과 이격되는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 음 전극 라인은 바 타입으로 이루어지며,
    상기 양 전극 라인은 루프 타입으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 소자는 다수개의 곡절부가 형성된 전송 라인이며, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 양 전극 라인은 상기 음 전극 라인의 형태에 대응하여 다수개의 곡절부가 형성된 전송 라인이며, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 소자들과 상기 격리 소자는 상기 메인 기판 또는 안테나 캐리어 중 적어도 어느 하나에 각각 패터닝되어 형성되는 것을 특징으로 하는 미모 안테나 장치.
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